«биологическая активность»
| Вид материала | Лекция |
- Синтез, свойства и биологическая активность производных 2-хлорникотинонитрилов, 264.36kb.
- Синтез, свойства и биологическая активность енаминоамидов ацилпировиноградных кислот, 439.81kb.
- Синтез, химические свойства и биологическая активность 1,4-дизамещенных 5-арил-3-гидрокси-3-пирролин-2-онов, 667.95kb.
- Лекция № Введение в курс. Медико-биологическая статистика. Медицинская и биологическая, 78.17kb.
- Естествознанию нужна новая биологическая наука – «Молекулярная биологическая информатика», 844.09kb.
- Учреждение Российской академии медицинских наук Российский онкологический научный центр, 294.22kb.
- Синтез соединений на основе химических превращений производных α- оксокарбоновых кислот, 643.93kb.
- Синтез, свойства и биологическая активность продуктов взаимодействия 1,2,4-триазолов, 669.98kb.
- Синтез, свойства, биологическая активность n-гетериламидов α-оксокислот и продуктов, 367.21kb.
- Развитие координационных способностей у детей младшего школьного возраста, 21.82kb.
Лекция 1
Лекарственными веществами называют биологически активные вещества, применение которых для профилактики и лечения заболеваний человека разрешено законодательно. Понятие «биологическая активность» отражает взаимодействие лекарственного вещества с организмом и вызываемый при этом отклик организма, например, успокоительный эффект, снижение температуры, снятие болевого ощущения и др. К настоящему времени создан большой арсенал лекарственных веществ как природного происхождения, так и синтетического. Достаточно указать, что в книге "Справочник Видаль за 1997 год. Лекарственные препараты в России" насчитывается около 4000 лекарственных веществ. Подобное многообразие уже существующих лекарственных веществ, постоянный ежегодный прирост их арсенала (30-40 новых структур), сложность строения новых лекарственных средств, многостадийность их синтеза - все это в совокупности составляет огромный массив научной и учебной информации по химии лекарственных веществ и конечно же не может претендовать на полное отражение в учебном пособии. Поэтому в данной книге рассматривается строение и пути химического синтеза главным образом тех лекарственных веществ, которые формируют целые фармацевтические блоки и нашли широкое употребление в практической медицине и производятся химико-фармацевтической промышленностью в значительных количествах. Наряду с этим представлены некоторые перспективные направления синтеза органических соединений, имеющих высокий потенциал биологического действия. Рассмотрены также пути развития химии лекарственных веществ, основные химические проблемы создания важнейших групп лекарственных препаратов и некоторые современные тенденции и перспективы поиска новейших лекарственных веществ для 21 века.
Курс химии лекарственных веществ взаимосвязан со многими дисциплинами, т.к. в создании каждого лекарственного вещества сливаются достижения таких наук, как органическая и фармацевтическая химия, биоорганическая и биологическая химия, неорганическая химия, фармакология, химическая технология, биотехнология и др.
1.1. Эволюция органической химии лекарственных веществ.
В древнегреческих мифах говорится, что раньше люди не знали болезней. Но за их грехи боги наказали людей многими болезнями, от которых смертные не знали избавления до тех пор, пока Прометей не открыл им силу лекарств.
Борьба с болезнями ведется человеком с давних пор. Первые
лекарственные средства люди получали из природной аптеки: растений (листьев, коры, плодов, кореньев, стеблей), животных и минералов. В течение тысячелетий в Индии и Китае применяют с успехом народные лечебные средства, приготовляемые из многих природных источников (ныне это направление лечения называют, в отличие от официальной медицины, этномедициной и этнофармакологией). Уже в древних текстах насчитывают более 3 тысяч лекарственных растений, употребляемых с 2800 года до новой эры. Одно из современных лекарств - эфедрин, введенный в медицину в 1920-х годах для остановки кровотечений и как противокашлевое средство, использовался в Китае в течение почти 5 тыс. лет в виде неочищенного растительного лекарства "ма хуанг". В работах Плиния имеется ссылка на лекарственное растение "эфедрон", которое использовали в древности для тех же лечебных целей. В Индии насчитывают 7500 лекарственных растений, которые применяются в народной медицине, и в частности Rauwolfia serpentina, содержащая антигипертензивный агент - алкалоид разерпин, ежегодный объем продажи которого только в США достигает ныне более четверти миллиарда долларов. Еще в старину в России составлялись вертограды - рукописные травники с описанием способов приготовления лекарств из растений «для лечбы занемогших». В этномедицине многих стран лекарства готовили из пчелиного прополиса, горного мумие, бобровой струи, ядов змей и скорпионов, мышиного помета, пантов пятнистого оленя и т.д. Вплоть до настоящего времени значение медикоментозных средств, получаемых в виде настоек, экстрактов и отваров (главным образом из растений) сохраняется на высоком уровне (в России подобные лекарственные средства составляют примерно 30% от общего числа лекарственных препаратов).
Родиной аптечного дела считается Багдад, где первая аптека была открыта в 754 году до новой эры. В Европе аптечное дело организовано значительно позднее, так в Германии об аптеках упоминается в 13 веке.
Первые индивидуальные природные соединения, обладающие лечебным действием (так называемое "активное начало"), начали выделять из растений лишь в 19 веке. Так, в 1803 году был впервые выделен алкалоид морфин. Затем было установлено, что чай, кофе, какао и орехи кола содержат один и тот же алкалоид кофеин. Синтетические вещества, обладающие фармакологическим действием, также появились в 19 веке - параллельно с зарождением и началом развития органической химии. Серный эфир как анэстетик стал использоваться с 1846 г., антисептик фенол - 1867 года, антипиретик аспирин с 90-х годов 19 века. В начале 20 века было обнаружено антибактериальное действие у ряда синтетических катионных красителей, которые, как например, аминоакридиниевая соль профлавин, с успехом применялись в период первой мировой войны для дезинфекции ран (как антисептики).
Открытие в 1932 году антимикробных свойств у синтетического красителя 2’,4’-диаминоазобензол-4-сульфамида («красный стрептоцид») впервые вызвало всеобщий интерес у исследователей к искусственно получаемым в лабораториях синтетическим биологически активным веществам. И уже к концу 30-х годов были синтезированы первые целевые сульфамидные препараты («белый стрептоцид» и другие) с антимикробным действием, что положило начало фармацевтическому промышленному синтезу.
В период второй мировой войны были начаты работы по синтезу заменителей природного противомалярийного алкалоида хинина. В это же время открыт антибиотик пенициллин G. Послевоенные годы характеризуются бурным развитием органической и фармацевтической химии - были получены стероидные гормоны, синтетические антибиотики, средства для лечения заболеваний нервной и сердечно-сосудистой систем. За период с 1950 г. по 1960 г. было получено около 500 препаратов. Следующее 20-летие принесло еще 750 лекарственных веществ, а с 1980 по 1991 г. в клиническую практику было внедрено почти 500 новых лекарственных веществ. Ныне разрабатываются многие тысячи биологически активных веществ, из которых львиная доля (примерно по тысяче соединений в каждой группе) приходится на нейрологические, антиинфекционные, сердечно-сосудистые и противоопухолевые. На создание одного нового препарата общего назначения уходит в настоящее время около 10 лет и затрачивается примерно 100 млн долларов. По статистике, для выявления такого препарата обычно приходится испытать около 10 тысяч веществ. В связи с последним фактором в 1990-е годы возникла комбинаторная химия, принципы которой позволяют за относительно короткий промежуток времени синтезировать огромное число производных базовой структуры (создать так называемые "библиотеки" веществ) и параллельно испытать их в направленных биотестах.
1.2. Современные требования к лекарственным веществам.
К лекарственным веществам предъявляют многочисленные жесткие требования. Прежде всего лекарственное вещество должно обладать высокой активностью, избирательностью и продолжительностью лечебного действия. Оно должно быть нетоксичным и не должно вызывать нежелательные побочные эффекты. Кроме того лекарственное вещество должно быть высокочистым и иметь высокую стабильность при хранении. Себестоимость его производства не должна быть слишком высокой. Наконец, оно должно быть доступным, а доходность при его реализации на фармацевтическом рынке достаточно высока. Все эти факторы определяют время жизни данного препарата среди применяемых в медицинской международной практике аналогично действующих лекарственных веществ. Изучению токсических свойств потенциального лекарственного вещества уделяют в настоящее время самое серьезное внимание. Это в значительной мере удлиняет сроки между созданием препарата в лаборатории, его массовым производством и началом применения (до 7 - 10 лет). К необходимости резкого ужесточения требований по детальному исследованию побочных эффектов потенциальных лекарственных веществ пришли в конце 1960-х годов, когда обнаружилось, что использование снотворного под названием "талидомид" беременными женщинами стало приводить к рождению детей с уродливыми органами. Это лекарственное вещество сразу попало под запрет, а его дополнительное изучение показало, что талидомид применяли в виде рацемата, т.е. смеси двух оптически активных энантиомеров, из которых (+)-R-энантиомер обладает снотворным действием и нетоксичен, а его (-)-S-форма вызывает тератогенность (врожденные уродства).
Следует иметь ввиду, что опасное побочное действие лекарственных веществ может проявляться не только от недоизученности их свойств, но и при неправильном применении «обычных» лекарственных средств, их передозировки и самолечении.
1.3. Стадии биологического изучения лекарственного вещества.
В настоящее время каждое потенциальное лекарственное вещество проходит три стадии изучения: фармацевтическую, фармакокинетическую и фармакодинамическую. На первой стадии устанавливают наличие полезного действия лекарственного вещества, после чего оно подвергается изучению других доклинических показателей. Прежде всего определяется острая токсичность, т.е. смертельная доза для 50% опытных животных (LD50, выражаемая в мг лекарственного вещества на кг живого веса). Затем выясняется субхроническая токсичность в условиях длительного (несколько месяцев) введения лекарственного вещества в терапевтических дозах (которые обычно в 20 и более раз должны быть ниже LD50). При этом наблюдают возможные побочные эффекты и патологические изменения всех систем организма: тератогенность, влияние на репродуктивность способность воспроизводить потомство) и иммунную систему, эмбриотоксичность (отравление плода), мутагенность (изменение наследственных функций), канцерогенность, аллергенность и другие вредные побочные действия. После этого этапа лекарственное средство может быть допущено к клиническим испытаниям, т.е. к установлению эффективности его лечебного действия и возможных побочных эффектов на больных людях в условиях клиники.
На второй стадии - фармакокинетической (фармакокинетика как часть науки фармакологии зародилась в 1960-х годах), изучают судьбу лекарственного вещества в организме: пути его введения и всасывания, распределение в биожидкостях, проникновение через защитные барьеры, доступ к органу-мишени, пути и скорость биотрансформации (расщепление лекарственного вещества на метаболиты происходит в основном в печени), пути выведения из организма (с мочой, калом, потом и дыханием).
Методы введения лекарственного вещества в организм разделяют на: 1) энтеральные (от греч. "энтерон" - желудочно-кишечный тракт, ЖКТ) - через нос (интранозально), внутрь через рот (перорально) или через прямую 12-перстную кишку; 2) парэнтеральные (минуя ЖКТ) - подкожные, внутримышечные, внутривенные инъекции, всасывание лекарства через поверхность кожи.
На третьей - фармакодинамической стадии изучаются проблемы распознавания и взаимодействия лекарственного вещества или его метаболитов с мишенями, которыми могут служить органы, ткани, клетки, клеточные мембраны, ферменты, нуклеиновые кислоты, регуляторные молекулы (гормоны, витамины, нейромедиаторы и т.п.), а также биорецепторы. Рассматриваются вопросы структурной и стереоспецифичной комплементарности взаимодействующих структур, функционального и химического соответствия лекарственного вещества или метаболита (например фармакофорной группировки) его рецептору. Взаимодействие между лекарственным веществом и рецептором или акцептором, приводящее к активации (стимулированию) или дезактивации (ингибированию) биомишени и сопровождающееся ответом организма в целом, в основном обеспечивается за счет слабых связей - водородных, электростатических, ван-дер-ваальсовых, гидрофобных.
Совсем недавно возникла наука фармакогенетика - часть фармакологии, изучающая зависимость лечебных и токсических эффектов одного и того же лекарственного вещества не только от пола и возраста больных, но и от их генетических особенностей и, в частности, от их этнической принадлежности.
1.4. Основы стратегии создания новых синтетических лекарственных веществ.
Ежегодно химики синтезируют, выделяют и характеризуют от 100 до 200 тысяч новых веществ. Многие из этих веществ проходят первичные испытания на выявление той или иной биологической активности. Этот этап поиска лекарственного вещества называют скринингом (отсеиванием). Его принцип был впервые разработан при поиске противосифилитических средств среди органических соединений мышьяка. Скрининг проводят в биологических лабораториях на живых клетках, микроорганизмах или кусочках живых тканей (in vitro), на здоровых
или специально зараженных животных (in vivo): на мышах, крысах, морских свинках, собаках, обезьянах. При этом из сотен веществ отбираются несколько наиболее активных препаратов, которые затем передаются на углубленные испытания. Если высокая активность вещества подтверждается, то его всесторонне изучают для определения токсичности и побочных эффектов, при отсутствии или незначительности которых проводятся клинические испытания на людях. После этого препарат начинают производить в промышленных масштабах и применять в лечебной практике.
Считается необходимым, чтобы все новые синтезируемые вещества были подвергнуты первичным испытаниям. Однако, к настоящему времени синтезировано уже несколько миллионов веществ (правда, большая часть из которых существует только на бумаге, а не "в руках" синтетика), и следует указать, что видов биологической активности и болезней насчитывают многие тысячи. Очевидно, что возможность испытать все новые соединения на все нужные (полезные) виды активности пока остается малореальной. На помощь химикам и биологам приходит компьютерная техника, которая позволяет сегодня вместо испытания в эксперименте синтезированных веществ, провести определение потенциала их биоактивности путем машинного анализа. Такой подход может быть основан на кластерном анализе большого массива уже известных лекарственных веществ, сгруппированных по их структуре или по видам проявляемым ими биоактивностей. Другим типом машинного анализа может служить моделирование на ЭВМ механизма взаимодействия лекарственного вещества с биорецептором или иных эмпирических связей лекарства с биомишенями. Биологу не обязательно в этом случае иметь вещество в руках, а достаточно лишь ввести в компьютер сведения о его строении. По окончании машинного анализа оператор получает рекомендации о целесообразности или нецелеобразности испытаний данного вещества на тот или иной вид активности. Подобное машинное "сито" (скрининг) экономит время, материалы и силы при аналоговом поиске лекарственных веществ. Однако выявление принципиально новых видов активности или новых видов фармакофорных группировок будет еще долгое время основываться на эксперименте и интуиции исследователя.
Для получения потенциально биологически активных веществ химики задолго до появления машинного анализа старались руководствоваться принципами целенаправленного синтеза, которые могли быть выработаны лишь при тщательном и глубоком изучении зависимости лекарственной активности от химического и стереохимического строения органического соединения. Сегодня стратегия и тактика создания новейших лекарственных веществ опирается на следующие принципы.
1. Принцип химического модифицирования структуры известных синтетических и природных лекарственных веществ. Этот прием является интуитивным, умозрительным. С его помощью, исходя из аналогии двух структур, биоактивность известного вещества как бы переносят на новое соединение. Ожидают при этом, что биоактивность последнего окажется сравнительно большей. Типичным примером может служить модификация структуры пенициллинов и цефалоспоринов по указанным стрелками радикалам (R), что позволило получить многочисленные новые препараты с улучшенными антибиотическими свойствами (см. радел 5.2.)
Другим ярким примером стала возможность химической модификации сульфаниламидов, которые кроме основного антибактериального действия имели побочный мочегонный эффект. В результате был создан новый класс сульфамидных диуретиков (см. раздел 4.7). Указанный прием широко и с успехом используется и в настоящее время в синтезе многочисленных производных практически всех классов лекарственных веществ.
2. Принцип введения фармакофорной группы известного лекарственного вещества в молекулу нового вещества. Фармакофорным называют такой структурный элемент или фрагмент молекулы, который обеспечивает фармакологическую активность. Так, на основе азотистого иприта было получено семейство противораковых препаратов путем введения в различные вещества N,N-дихлордиэтиламинного или азиридинового фрагмента (например, сарколизин и др., см. раздел 2.2).
3. Принцип молекулярного моделирования. Этот подход в сочетании с рентгеноструктурным анализом позволяет установить стереохимические особенности молекулы лекарственного вещества и биорецептора, абсолютную конфигурацию их хиральных центров, измерить расстояния между отдельными атомами, группами атомов или между зарядами в случае цвиттер-ионных структур лекарства и биорецепторного участка его захвата. Получаемые таким образом данные позволяют более целенаправленно проводить синтезы биоактивных молекул с заданными на молекулярном уровне параметрами. Этот метод был успешно использован в синтезе высокоэффективных анальгетиков - аналогов морфина, а также для получения ряда лекарственных веществ, действующих на центральную нервную систему, подобно природному нейромедиатору гамма-аминомасляной кислоте (фенигама и др., см. раздел 2.5.3.).
4. Стратегия пролекарств. Лекарственный препарат после введения в организм сразу же подвергается атаке ферментными системами, защищающими
организм от чужеродных веществ (ксенобиотиков). Лекарственное вещество таким образом биодеградируется с образованием различных производных, называемых метаболитами. В целом ряде случаев установлено, что не само введенное лекарственное вещество (его в этом случае называют пролекарством), а его метаболит оказывает лечебный эффект. Поэтому тщательное изучение метаболизма
лекарственных веществ, синтез и биотестирование его метаболитов может привести к созданию новых лекарственных веществ. На этой основе возникла идея заведомого синтеза пролекарства, которое само по себе не обладает лечебным действием, но имеет такие структурные группировки, которые позволяют ему легко преодолевать в организме защитные барьеры и точно доставляться в больной орган. При попадании в биомишень это пролекарство метаболизируется и превращается в истинное лекарство. Считается, что почти четвертая часть всех новых лекарственных веществ вводится в настоящее время в виде пролекарств. Например, кодеин оказывает обезболивающее действие благодаря превращению
в организме в морфин. Азидотимидин (или AZT) - лекарство против СПИДа, вводится как пролекарство в виде фосфатидилпроизводного, фосфолипидная форма которого лучше проникает через липидные оболочки макрофагов и накапливается там же, где обычно концентрируются и вирусы иммунодефицита человека (ВИЧ). Это лекарство гидролизуясь в макрофаге до довольно токсичного для организма человека азидотимидина, действует таким образом только на зараженные иммунные клетки.
5. Концепция антиметаболитов. Этот подход базируется на создании синтетического лекарственного вещества структурно близкого к какому-либо естественному (эндогенному) метаболиту организма человека. Задача такого синтетического вещества, называемого антиметаболитом, состоит в подмене метаболита в естественных биореакциях. Антиметаболиты должны быть способны лишь частично выполнять в организме функции метаболитов. Являясь химическими имитаторами метаболитов, лекарственные вещества такого рода "обманывают" контролирующие ферментные системы, встраиваются в метаболическую схему и заменяют собой настоящий метаболит, например, в растущей цепочке ДНК или РНК. Подобный прием успешно был использован в синтезе противораковых веществ (см. раздел 5.4.6.2.) а также для торможения роста и развития патогенных вирусов при создании ацикловира - высокоэффективного антигерпесного препарата (см. раздел 5.4.9.).
Важной характеристикой синтетических антиметаболитов, является то, что они обладают малой токсичностью и не оказывают нежелательных побочных эффектов, благодаря высокой степени их узнаваемости системами организма, для которых эти лекарственные вещества структурно «выглядят» почти нечужеродными, биогенными.
6. Методология комбинаторной химии. Этот принцип совмещения химии и биологии возник и стал быстро развиваться в 1990-х годах, как часть эволюции в общей стратегии открытия новых лекарственных веществ. Стратегия комбинаторной химии основана на недавней разработке нескольких революционных химических и биологических методов параллельного синтеза и испытания большого числа соединений. Была создана техника миниатюризации синтезов и биоиспытаний, позволяющая синтезировать в растворе или на твердых подложках от сотен до нескольких тысяч новых соединений в день и быстро их тестировать в виде смесей или после выделения индивидуальных веществ. В совокупности с автоматизацией синтез целых семейств (или "библиотек") веществ требует значительно меньших затрат реагентов при огромном росте производительности. Типичным примером может служить синтез библиотеки антибактериальных 1,3-оксазолидин-2-онов (6), основанный на принципе защитных групп. Твердофазный синтез осуществляют на полимерных бусах или порошках (принцип "тысячи чайных мешочков") из ионообменной полистирольной смолы (1), имеющей активную группу (2), с которой могут взаимодействовать 1,2-диолы (3).
В каждую из многочисленных миниатюрных реакционных ячеек добавляется свой изомерный диол и затем изомерный изоцианат (4). По окончании образования карбаматов (5) реакционную смесь в каждой ячейке обрабатывают основанием, регенерируя активную группу полимерной подложки (7) и смывая растворителем образовавшиеся при этом целевые оксазолидины (6). В результате параллельного выполнения многочисленных синтезов получают многие сотни производных 1,3-оксазолидинона, которые затем испытывают параллельно на подложке, содержащей соответствующее количество ячеек для тестов с бакте-
риальным штаммом (подробный обзор по комбинаторной химии представлен в журнале Chemical Review за 1997 год, P.347-510).
Лекция 2